KR101589835B1 - 실리콘-망간 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR101589835B1 KR1020140180644A KR20140180644A KR101589835B1 KR 101589835 B1 KR101589835 B1 KR 101589835B1 KR 1020140180644 A KR1020140180644 A KR 1020140180644A KR 20140180644 A KR20140180644 A KR 20140180644A KR 101589835 B1 KR101589835 B1 KR 101589835B1
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박상엽
김성진
정준기
홍문기
이하늘
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강릉원주대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은, 망간질산염 및 이산화규소를 사용하여 제조함으로써, 공정 시간 및 비용을 최소화 하며, 실리콘 회수율이 향상되는 효과가 있는 실리콘-망간 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

실리콘-망간 합금 및 이의 제조방법{Silicon-Manganese Alloy And Preparation Method Thereof}
본 발명은 실리콘-망간 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 제강과 주강(鑄鋼)시에는 강 내의 불순물에 작용해서 이러한 불순물들을 강에서 분리, 또는 무해한 것으로 만드는 청정용(탈유, 탈산 및 탈가스용 등)의 기능을 위한 합금철이 사용되고 있다.
합금철이란, 탄소 이외의 원소를 다량으로 함유하는 선철의 일종으로 대표적인 합금철로는 페로니켈, 페로망간, 페로실리콘, 실리콘망간 등이 있다.
그러나, 이러한 합금철의 특성은 고가인데다가 가격 변동폭이 크기 때문에, 철강산업이 호황일 때는 가격도 높아지게 되면서 공급에 어려움을 겪게 되고, 이에 따라 생산에도 차질이 생기는 문제점이 있다.
더욱이, 이러한 이유로 선진 철강국들은 합금철 공장을 자체운영하고 있으나 우리나라는 철강업체와 독립적인 관계로 상호 발전하여 왔기 때문에, 이러한 문제점이 단기간에 극복되기는 어려울 것으로 예상된다.
통상적으로, 실리콘망간은 고탄소 페로망간 제조용 전기로와 동일형태의 전기로에서 제조되며, 고탄소 페로망간에서 발생된 슬래그와 망간광석, 규석, 코크스 등을 원료로 사용한다. 페로망간 슬래그는 망간과 실리콘을 다량 함유하고 있을 뿐만 아니라, 용융에 요구되는 에너지도 적어 실리콘망간의 제조 원료로서 많이 사용된다.
한편, 실리콘망간 합금철의 제조시에 발생되는 슬래그는 성토(盛土) 및 복토(覆土)용 등으로 사용되거나 폐기되고 있다.
그러나, 이러한 실리콘망간 합금철의 제조시에 발생되는 슬래그에는 철강재의 함유 성분으로 사용될 수 있는 성분이 함유되어 있어, 실리콘 손실의 문제점이 발생되고 있다.
따라서, 상기 실리콘망간 합금철의 제조시에 발생되는 실리콘 손실을 최소화하여 회수율을 높일 수 있는 기술이 요구되고 있다.
종래의 실리콘망간 제조 방법은 망간 광석, 코크스, 백운석 등의 원료로 실리콘 망간 용탕을 만들고, 이를 전로(converter)에 수탕하여 튜이어(tuyere)를 이용하여 산소와 질소를 취입하면서 용탕을 교반 및 승온시켜 저탄소 실리콘 망간을 제조하였는데, 이를 전로법이라고 한다.
이러한 종래의 전로법은 국내 공개특허공보 제1997-0009514호에 개시되어 있는데, 용탕 내의 실리콘 함량을 증가시키기 위해 실리콘 증량제를 투입하고, 이와 같이 실리콘 함량이 증가함에 따라 실리콘이 용탕 내의 탄소와 반응하여 탄화규소(SiC)가 생성되며, 탄화규소(SiC)는 용탕 상부로 부상되어 슬래그 층에 흡착됨에 의해 용탕 내의 탄소 함량이 감소됨으로써 저탄소 실리콘 망간을 제조한다.
그러나, 상기 종래의 방법은 공정이 진행됨에 따라 하락하는 용탕 온도를 보정하기 위해 산소를 취입하여 다음과 같이 Si(용탕) + O2 → SiO2(슬래그) 용탕 내의 실리콘을 산화시켜 발생되는 산화열 열원으로 사용함으로써, 상당량의 실리콘의 로스(loss)가 발생되어 최종 제품의 실리콘 회수율이 낮아지는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제1997-0009514호.
본 발명의 목적은 망간질산염 및 이산화규소를 이용한, 고회수율의 실리콘-망간 합금 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
규소(Si) 30 내지 45 중량부; 및
망간(Mn) 55 내지 70 중량부를 함유하며,
하기 조성을 만족하는 실리콘-망간 합금을 제공한다.
[조성]
MnxSiy
상기 조성에서 x+y=1 이고, x>0 이며, y>0 이다.
또한, 본 발명은 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계; 및
상기 혼합 분말에 아크방전을 가하는 단계를 포함하는 실리콘-망간 합금 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 실리콘-망간 합금 및 이의 제조방법은, 망간질산염 및 이산화규소를 사용하여 제조함으로써, 공정 시간 및 비용을 최소화 하며, 실리콘 회수율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘-망간 합금의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘-망간 합금의 제조방법에서 사용된 전기 아크로의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘-망간 합금의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘-망간 합금의 EDX 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명에 의한 실리콘-망간 합금을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 실리콘-망간 합금은, 규소(Si) 30 내지 45 중량부; 및
망간(Mn) 55 내지 70 중량부를 함유하며,
하기 조성을 만족할 수 있다.
[조성]
MnxSiy
상기 조성에서, x+y=1 이고, x>0 이며, y>0 이다.
다른 하나의 예로서, 본 발명에 의한 실리콘-망간 합금은,
규소(Si) 38 내지 45 중량부; 및
망간(Mn) 55 내지 62 중량부를 함유할 수 있다.
또 다른 하나의 예로서, 본 발명에 의한 실리콘-망간 합금은,
규소(Si)와 망간(Mn)의 중량비는 0.56:1 내지 0.8:1 범위일 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 실리콘-망간 합금은 Si를 35 내지 45 중량부 또는 40 내지 43 중량부 함유할 수 있고, Mn을 55 내지 65 또는 57 내지 60 중량부 함유할 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 발명에 의한 실리콘-망간 합금은 표면층을 EDX (Energy Dispersive X-ray microanalysis) 측정 하였을 때 Mn(망간)과 Si(규소)의 중량부 비율이 57.89:42.11일 수 있다(표1 및 도4 참조).
이하, 본 발명에 의한 실리콘-망간 합금 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 실리콘-망간 제조방법은,
망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계; 및
상기 혼합 분말에 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계에서, 혼합 분말은 망간질산염 50 내지 60 중량부; 및 이산화규소 40 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명은, 망간질산염 및 이산화규소의 분말을 상기 중량부 범위로 제어함으로써, 고회수율의 실리콘-망간 제조가 가능하다.
또 다른 하나의 예로서, 상기 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계에서, 망간질산염 및 이산화규소는 분말 형태일 수 있다. 본 발명에 따른 이산화규소의 평균 입자 크기는 0.1 내지 3 ㎛, 0.15 내지 2.5 ㎛, 0.25 내지 2 ㎛, 0.35 내지 1.5 ㎛ 또는 0.5 내지 1 ㎛일 수 있다. 본 발명은 상기 범위의 평균 입자 크기를 갖는 이산화규소 분말을 함유함으로써, 상기 두 종류의 분말의 혼합을 용이하게 하며, 실리콘의 손실을 최소화 하여 고회수율을 갖는 실리콘-망간 합금을 제조하게 된다.
또 다른 하나의 예로서, 상기 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계는, 망간질산염을 용해하는 단계;
용해된 망간질산염과 이산화규소를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
제조된 슬러리를 건조 및 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 망간질산염을 용해하는 단계에서, 망간질산염을 용해하는데 사용되는 용제는, 슬러리 건조 시에 짧은 시간 내에 용제가 제거될 수 있도록 끓는점이 낮은 용제를 사용하는 것이 유리하며, 예를 들어 상기 용제는 아세톤, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸부틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸알코올, 에틸알코올, 이소프로필알코올, 증류수 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 구체적으로 본 발명에서 망간질산염을 용해하는데 사용되는 용제는, 에틸알코올 및 알코올 중 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이들의 혼합용액을 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 용제를 사용할 경우, 본 발명에 의한 슬러리를 건조 및 분쇄하여 분말을 제조하는 단계에서, 슬러리 건조 시에 단시간 내에 용제를 제거 가능하며, 이에 따라 실리콘-망간 합금의 제조를 용이하게 하고, 제조 시간을 단축시키는 효과가 있다.
상기 상기 망간질산염을 용해하는 단계에서, 망간질산염과 용제의 혼합 비율은 0.5:10 내지 7:10, 1:10 내지 6:10 또는 2:10 내지 5:10일 수 있다.
상기 망간질산염을 용해할 때에, 용해도를 높이기 위해 교반기를 사용하여 교반을 수행할 수 있다. 또한, 망간질산염을 용해한 후 이산화규소를 넣고 교반을 수행할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 용해된 망간질산염에 이산화규소를 넣어 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계는, 기계적 방법으로 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 사기 기계적 방법은, 밀링(millimg)법을 포함할 수 있다. 상기 밀링은 용해된 망간질산염에 이산화규소를 넣어 교반을 수행한 후에 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 밀링은, 예를 들어, 볼 밀링(Ball milling), 유성 밀링(Planetary milling), 튜브 밀링(Tube milling), 코니컬 밀링(Conical milling), 로드 밀링(Rod milling), 비드 밀링(Bead milling), 제트 밀링(Jet milling), 어트리션 밀링(Attrition milling), 콜로이드 밀링(Colloid milling) 및 휠러 밀링(Wheeler milling) 중에서 선택되는 하나 이상의 방법으로 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 밀링은 대표적으로 볼 밀링 또는 유성 밀링에 의해 실시될 수 있다.
본 발명에 의한 유성 밀링 또는 볼밀링에 의해 혼합할 경우, 휠 스피드를 100 내지 300 rpm 또는 200 rpm 으로 할 수 있으며, 수행 시간은 30 분 내지 4 시간 또는 2 시간 동안 수행될 수 있다. 볼 밀링의 경우, 볼 밀링이 이루어지는 용기의 사이즈, 볼의 이동방향 (용기의 원주방향 혹은 높이 방향), 볼 밀링 속도, 볼 밀링 시간 등 다양한 조건에 따라 최적의 조건이 달라질 수 있다. 따라서, 최적의 밀링 조건은 개별 방법에 적용되는 다양한 조건들에 의하여 결정될 수 있다. 본 발명은, 상기 밀링법을 수행함으로써, 망간질산염 및 이산화규소가 균일하게 혼합된 슬러리가 제조될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 제조된 슬러리를 건조 및 분쇄하는 단계는, 제조된 슬러리를 90 내지 150 ℃ 또는 120 ℃ 의 건조오븐에서 10 내지 30 시간 또는 24 시간 동안 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 건조된 슬러리는 유발 또는 믹서를 이용하여 분쇄하는 단계를 거칠 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말에 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계에서, 상기 아크방전은 상기 혼합 분말을 도가니 내에 투입한 후에 가해질 수 있다.
아크(arc)란, 기체 중에서 일어나는 방전의 일종으로, 용접봉과 모재 사이에 전기적 방전에 의하여 발생하는 고온의 아크를 이용하여 모재를 접합할 수 있다. 아크는, 우리들의 일상 생활에서도 이 현상을 가끔 볼 수 있는데, 전철의 케이블과 팬터그래프와의 사이에 발생하는 스파크도 아크의 일종이다.
아크 공정에서 열원으로 사용하는 아크는 전기적으로 중성이며 이온화된 기체로 구성된 플라즈마(plasma)이다. 기체는 온도가 증가하면 기체를 구성하고 있는 분자의 운동량이 증가하며, 분자간의 충돌에 의하여 이온화되어 플라즈마 상태로 변화한다. 플라즈마는 일반적으로 고온이며, 전기적으로 중성인데 기체의 종류 및 양극과 음극의 재질에 따라 특성이 변화한다. 아크를 형성하고 있는 기체는 상온에서는 전기의 부도체이나, 고온이 되면 그 일부가 음전기를 띤 전자와 양전기를 띤 양이온으로 나누어져 양이온은 음극으로, 전자는 양극으로 빠른 속도로 끌려가기 때문에 전류가 흘러 아크방전이 지속되며, 아크는 매우 강한 빛과 열을 발생하게 된다.
아크는, 아크 코어(arc core), 아크 스트림(arc stream), 아크 플레임(arc flame)의 세부분으로 나눌 수 있다. 아크 코어와 아크 스트림은 아크의 중심부를 구성한다. 아크 코어는 용접봉과 모재를 직선으로 잇는 아크 중심부로, 비교적 지름이 작고 백색에 가깝게 빛나는 가장 강한 열을 내는 부분이다. 이 아크 코어의 길이를 아크 길이(arc length)라 한다. 이 주위를 둘러싼 비교적 담홍색을 띠고 있는 부분이 아크 스트림이다. 또, 그 바깥쪽은 다시 불꽃으로 싸여 있는데, 이 부분을 아크플레임이라 한다. 온도가 가장 높은 부분은 아크 코어 부분으로, 보통 3000 내지 5000 ℃ 정도이다. 그러므로 아크 코어를 중심으로 하여 모재가 녹는다. 이와 같이, 용융된 부분과 용접봉에서 녹은 용적이 융합되어 시시각각으로 응고하여 파형을 만드는데, 이 파형을 비드라 하고, 이 금속을 용착 금속(deposited metal)이라 한다.
본 발명에 의한 도가니는 구체적으로 아크로 또는 전기 아크로(electric arc furnace)일 수 있다. 본 발명에서 "도가니"는 "아크로" 또는 "전기 아크로"와 같은 의미일 수 있다. 상기 전기 아크로(electric arc furnace)는 아크에서 발생하는 고열을 이용한 전기로의 일종으로, 노 내의 피열물 내에 복수의 탄소전극을 삽입하여 고전압을 인가, 전극 간에 아크(강열한 전광)를 내게 하여, 그 때 발생하는 열을 이용하여 전극 주위의 피열물을 가열하는 방식의 공업로를 의미한다.
이 때 전기 아크로의 역할은 초기에 용탕을 만들어 주어 그 용탕열에 의해 점화가 일어나도록 하는 것이며 초기에 전기를 투입하며 추가로 전기를 투입할 필요가 없어 초기용탕을 준비하는 전기만 필요하므로 전기에너지의 사용량이 기존의 전기로 제련법을 사용하는 경우에 비하여 5~10%미만이다.
본 발명에 의한 전기 아크로에는, 미리 고철이나 메탈망간 또는 페로망간을 녹여 바닥에 용탕을 만들어 둘 수 있다. 또한, 이 용융금속은 1300 ℃ 이상의 온도를 유지할 수 있다. 상기 용탕을 미리 만들어 두는 이유는, 기존의 테르밋 반응을 이용한 제련에서는 고가의 점화제를 사용하여 점화시켜줘야 했는데 미리 용탕을 만들어 놓고 여기에 단광을 투입하면 용탕의 열이 점화제가 되어 기존의 점화제를 생략할 수 있다. 즉, 테르밋 반응을 연속적으로 일으켜 반응 생산성 효율을 높이고 미반응에 의한 회수율이 낮아지는 것을 방지하기 위함이다.
다른 하나의 예로서, 상기 혼합 분말에 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계에서, 아크로 내부 원료 분말의 충진은 탄소분말 및 형석 분말을 더 포함할 수 있다. 구체적으로는, 아크로 내부 상단 전극봉이 아크로의 바닥과 맞닿게 한 후 탄소 분말 10중량부, 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말 30 내지 90 또는 70중량부 및 형석 분말 1 내지 20 중량부 또는 10중량부가 충진될 수 있다. 상기 분말들을 아크로 내로 충진할 때의 투입 순서는 상관이 없으나, 예를 들어, 탄소 분말, 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말 및 형석 분말의 순서로 투입하여 충진할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 혼합 분말에 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계에서, 상기 혼합 분말을 도가니 내에 투입할 때에, 생성된 슬래그의 유동성 확보를 위하여, 형석(CaF2), 폐유리(Na2SiO2, K2SiO2), 규산나트륨 중에서 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 망간질산염 및 이산화규소를 혼합한 분말의 1 내지 20중량부 또는 3 내지 10 중량부 정도 아크로 내에 투입하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 형석(CaF2)을 투입할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 본 발명에서 상기 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계는, 양극에는 혼합 분말이 구비되고 음극에는 전극봉이 구비되어 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시키는 아크 발생단계;
상기 아크발생단계를 거쳐 발생되는 플라즈마 아크열을 이용하여 상기 혼합 분말을 용융 및 증발시키는 조업단계; 및
상기 조업단계를 거쳐 생성되는 금속증기가 응축되면서 합금화되어 합금을 형성하는 합금형성단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 혼합 분말은, 망간질산염 분말 및 이산화규소 분말이 혼합된 분말일 수 있다. 또한, 상기 혼합 분말은 망간질산염 분말, 이산화규소 분말 및 형석(CaF2) 분말 중 1종 이상이 혼합된 분말일 수 있다. 또한, 상기 혼합 분말은, 펠렛(Pellet)형태의 합금조성이 가능한 혼합 분말일 수 있다. 또한, 상기 혼합 분말은 전도성 탄소 분말을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 고가의 기(旣)합금원소 대신, 망간질산염 또는 이산화규소와 같은 저렴한 성분 분말을 원료물질로 이용할 수 있어 경제적인 측면에서 매우 유리한 이점이 있다.
본 발명에서 상기 합금화 되어 형성된 합금은, 실리콘-망간 합금일 수 있다.
다른 하나의 예로서, 본 발명의 상기 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계에서, 플라즈마 아크(Plasma Arc) 발생을 위해 양극에 대응되는 상기 음극의 전극봉은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 그라파이트(Graphite), 몰리브덴 합금 중 어느 하나일 수 있다.
다른 하나의 예로서, 본 발명의 상기 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계에서, 아크로 내의 분위기는 Ar, He 중 선택된 하나 이상의 불활성 가스와 H2와 CH4중 적어도 하나의 환원성 가스로 이루어진 환원성 가스 분위기로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 아크로 내의 분위기는 일반 대기분위기 일 수 있다.
또한, 아크로 내의 분위기는, 아르곤(Ar)과 가스(Gas)가 일정비율로 혼합된 분위기를 조성하여 진행할 수 있다. 수소(H2), 산소(O2), 불활성기체, 폴리머 기체 중 어느 하나 또는 이들 기체를 일정비율로 혼합한 혼합기체를 사용할 수 있다.
상기 아르곤(Ar)과 가스(Gas)가 혼합된 혼합기체에서 상기 수소(H2) 등 가스(Gas)의 역할은 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 집중시켜 양극에 사용되는 상기 혼합 분말을 더욱 높은 온도로 가열하여 용해시키기 위함이다. 따라서, 상기 가스(Gas)의 혼합비율이 높을수록 플라즈마 아크(Plasma Arc)가 더 집중되어 상기 아크발생부에서 용해되는 혼합 분말의 온도가 더욱 높아짐으로써 많은 양의 금속증기를 발생시킬 수 있게 된다.
그리고, 상기 조업단계에서 생성되는 금속증기가 응축되면서 합금화(合金化)되어 합금 분말을 형성하는 분말형성단계가 진행된다. 합금 분말의 형성과정은, 예를 들어, 상기 아크발생부의 플라즈마 아크(Plasma Arc)에 의해 용융된 혼합 분말이 용융금속 표면에서 금속증기로 증발하여 상기 아르곤(Ar)과 가스(Gas)의 혼합기체 내부로 이동하게 되고, 상기 혼합기체 내부로 이동된 상기 금속증기는 실온으로 냉각된 혼합기체 내부에서 증기원자 또는 입자들끼리 충돌하여 나노입자를 형성함과 동시에 응축되면서 합금화(合金化)되어 합금 분말을 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 합금 분말은 아크로 내의 압력, 인가한 전류량, 가스의 혼합비 등에 따라 분말특성이 달라지게 된다. 따라서, 요구되는 분말특성을 충족하기 위하여 상기 압력 등 공정변수들을 적절히 조절할 필요가 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 혼합 분말에 아크방전을 가하는 단계에서,
아크방전의 전압 및 전류는 20 내지 50V, 60 내지 80A 범위이고,
수행 온도는 900 내지 2000 ℃ 이며,
아크방전을 가하는 시간은 2 내지 20 분 범위일 수 있다.
구체적으로, 상기 수행 온도는, 아크방전이 일어나는 아크로 내의 온도일 수 있으며, 상기 온도는 900 내지 1300 ℃, 1000 내지 1500 ℃ 또는 1300 내지 2000 ℃ 범위일 수 있다.
또한, 상기 아크방전을 가하는 시간은 2 내지 20분, 3 내지 15분 또는 5 내지 10 분 동안 수행될 수 있다.
또한, 상기 아크방전을 가하는 단계에서, 아크로 내의 분위기는 일반 대기 분위기 일 수 있다.
다른 하나의 예로서, 본 발명에서 상기 아크방전(arc discharge)을 가하는 단계는 테르밋(Thermite) 반응을 유도하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 아크에 의한 에너지는, 상기 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말에 전달되어 테르밋 반응(Thermit reaction)을 일으킬 수 있다.
본 발명에 의한 실리콘-망간 합금은 테르밋 반응에 의해 제조될 수 있다.
테르밋 반응(Thermit reaction)이란 용접기술로 개발한 기술로, 금속산화물 파우더(Powder)와 알루미늄 파우더를 적정비율로 혼합하여 점화시키면 폭발적인 반응을 일으키며, 이 때 3,000 ℃ 에 이르는 고열이 발생한다. 이러한 화학반응을 테르밋 반응이라고 한다. 상기의 고열을 이용하여 용접을 하기도 하고 제련기술에 이용되기도 한다.
본 발명에 사용되는 망간질산염 및 이산화규소의 분말은 200메쉬 크기 이하의 미세한 분말이 사용될 수 있다. 그 이유는 미세한 분말일수록 테르밋 반응이 쉽게 일어나기 때문이다. 상기 테르밋 반응하는 과정에서 합금철의 수율을 최대한 높일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
에틸 알코올 150 ml 에 망간질산염(Mn(NO3)2·H2O) 분말 44.8 g을 용해시킨 후, 이산화규소(SiO2) 분말 35.2 g을 넣어 교반을 수행하였다. 그리고, 유성 밀(Planetary mill)을 이용하여 200 rpm 으로 2시간 동안 혼합하였다. 상기 혼합된 슬러리 상태의 용액을 건조 오븐을 이용하여 120 ℃ 에서 24 시간 동안 건조하였다. 상기 건조되어 덩어리진 분말을 유발(乳鉢)을 이용하여 분쇄하여, 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하였다.
아크방전을 위한 아크로 내부 원료 분말의 충진은, 아크로의 상단 전극봉이 아크로 내부의 바닥과 맞닿게 한 후, 탄소 분말 10중량부, 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말 70중량부, 형석 분말 10중량부의 순서로 분말을 충진하였다. 상기 원료 분말은 총 50 g 이었다.
원료 분말의 충진이 끝나면, 전원스위치를 켜고, 상단 전극봉을 살짝 올려 아크로와 전극봉의 아크방전이 일어날 수 있도록 간극을 주어 아크방전을 가하였다. 아크로 내의 분위기는 일반 대기 중에서 실시되었다. 아크로 내의 온도는 1000 내지 1500 ℃ 였으며, 아크방전의 전압-전류는 20~50V, 60~80A였으며, 약 7 분 동안 아크방전을 실시하여 실리콘-망간 합금을 제조하였다.
도 1은 상기 실시예에 의해 제조된 실리콘-망간 합금의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘-망간 합금의 제조방법에서 사용된 전기 아크로의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 전기 아크로(12) 내에 형석 분말(20), 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말(21) 및 탄소 분말(22)이 포함된 원료 분말을 투입하여, 전극봉(10)을 이용하여 아크방전을 가하게 되면, 아크 발생부(30)로부터 아크가 발생되어, 실리콘-망간 합금이 제조된다.
실험예
실시예에서 제조한 실리콘-망간 합금의 표면 형태는 XRD(X-ray diffraction, X선 회절), 및 EDX(energy dispersive X-ray spectroscopy, 에너지 분산 X선) 기술을 이용하여 측정하였다.
본 발명의 실시예에 의해 얻어진 실리콘-망간 합금의 미세구조 및 성분 분석 결과를 확인하기 위해 XRD분석 장치(D/Max-2500V, RIGAKU사)를 이용한 측정을 실시하였다. 이때, XRD측정에서는, 가속전압 및 전류는 40kV, 100mA로, 주사속도는 4℃/min, 주사범위(2θ) 10 내지 80°의 조건에서 측정하였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘-망간 합금에 대해 얻어진 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 실리콘-망간 합금이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 4 및 하기 표 1은 상기 실시예에서 제조된 실리콘-망간 합금의 EDX 스펙트럼 분석 결과를 나타내는데, 이것으로 실리콘-망간 합금의 중량부 비율을 쉽게 결정할 수 있다. 이 결과에 따르면, 실리콘-망간 합금의 평균 중량부 비율 Mn:Si 는 57.89:42.11이었다.
성분 Wight% Atomic%
Mn 57.89 41.27
Si 42.11 58.73
10: 전극봉
11: 흑연 펠트
12: 전기 아크로
20: 형석 분말
21: 망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말
22: 탄소 분말
30: 아크 발생부

Claims (9)

  1. 규소(Si) 와 망간(Mn)의 함량 비율은, 30 내지 45 : 55 내지 70 중량비를 만족하며,
    하기 조성을 만족하는 실리콘-망간 합금:
    [조성]
    MnxSiy
    상기 조성에서, x+y=1 이고, x>0 이며, y>0 이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실리콘-망간 합금은,
    규소(Si) 와 망간(Mn)의 함량 비율이, 38 내지 45 : 55 내지 62 중량비를 만족하는 실리콘-망간 합금.
  3. 제 1 항에 있어서,
    실리콘-망간 합금은,
    규소(Si)와 망간(Mn)의 혼합비가 0.56:1 내지 0.8:1 중량비율 범위인 실리콘-망간 합금.
  4. 망간질산염과 이산화규소를 50 내지 60 : 40 내지 50 중량비율로 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합 분말에 전압 20 내지 50V, 전류 60 내지 80A 범위로 900 내지 2000 ℃ 의 온도 범위에서, 2 내지 20 분 동안 아크방전을 수행하는 단계를 포함하는 실리콘-망간 합금 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계에서,
    이산화규소의 평균 입자 크기는 0.1 내지 3 ㎛ 범위인 실리콘-망간 합금 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    망간질산염 및 이산화규소 혼합 분말을 제조하는 단계는,
    망간질산염과 용제의 혼합 비율을 0.5:10 내지 7:10로 하여 망간질산염을 용해하는 단계;
    용해된 망간질산염과 이산화규소를 혼합하여 밀링(milling)법으로 슬러리를 제조하는 단계; 및
    제조된 슬러리를 건조 및 분쇄하는 단계를 포함하며,
    상기 슬러리를 건조 및 분쇄하는 단계는,
    90 내지 180 ℃ 의 온도 범위에서 5 내지 30 시간 동안 건조한 후 유발 및 믹서 중 1종 이상을 이용하여 분쇄하는 단계를 포함하는 실리콘-망간 합금 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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